脉冲爆震发动机多循环工作过程仿真及性能分析

针对脉冲爆震发动机零维性能模型的局限性,建立了火箭式脉冲爆震发动机(PDRE)多循环工作过程的一维非稳态仿真性能模型,仿真模型能够捕获PDRE的非定常的工作特征,可研究各种调节参数对PDRE性能的影响,通过模拟计算直管PDRE和带收敛扩张喷管PDRE在多循环工作过程中的压力分布及其性能参数,可以看到,由于循环过程之间的耦合性,使得多循环脉冲爆震发动机(PDE)的内部流场与单循环PDE有很大的不同;同时,同样进气条件下,PDRE要比常规火箭发动机有优势,对其工作频率和隔离气体使用量是有要求的。     

脉冲爆震火箭发动机试验

采用航空煤油／氧气为推进剂的脉冲爆震火箭发动机（PDRE）试验模型，进行了有关两相爆震起爆、稳定可控工作、爆燃向爆震转变机理、PDRE可爆范围、加与不加尾喷管时性能测试等方面的实验研究。结果表明，设计的PDRE模型能实现稳定、可控、高频工作，性能接近理论值。各种尾喷管均具有性能增益，其中以收敛喷管增益最大，达18％。     

爆震管喷管流动数值研究

为了获得高性能的爆震管,应用时空守恒元和解元(CE/SE)法对带不同形式喷管的爆震管进行二维轴对称数值模拟,分析复杂的爆震波流场,研究喷管对爆震管性能的影响。结果表明,爆震管的推进性能的提高受喷管的长度、夹角和形状的影响,其中长喷管性能优于短喷管,收敛扩张喷管性能优于收敛喷管,钟形喷管性能优于扩张喷管。     

喷管收敛-扩张角对爆震发动机性能影响分析

为了研究喷管收敛-扩张角对爆震发动机性能的影响,以氢气和氧气混合物为例,对不同喷管收敛-扩张角下的爆震发动机工作过程进行了数值模拟,结果表明,不同喷管收敛-扩张角对爆震发动机性能的影响并不相同。增大扩张角,喷管出口面积增大,推力投影面积增大,排气时间减少,喷管内压力下降较快。收敛角为5°或扩张角为5°时的爆震发动机性能较好。     

脉冲爆震发动机尾喷管的实验

选取3类10种有代表性的脉冲爆震发动机尾喷管进行了试验.研究结果表明, 各种喷管对性能均有提高;对每类喷管均存在一最佳面积比, 使推力增益最大;在受试的尾喷管中, 收敛-扩张喷管增益最大, 达24%;填充系数对喷管性能增益影响甚微.      

两相脉冲爆轰发动机尾喷管的实验研究

为了提高脉冲爆轰发动机的推进性能,实验研究了12种不同构型尾喷管对火箭式两相脉冲爆轰发动机爆轰特性和推进性能的影响,并对各类尾喷管的增推原因进行分析。结果表明满填充工况下各类喷管内的爆轰特性不尽相同,收敛喷管可得到最大压力峰值;在满填充工况下频率为10Hz时12种喷管构型中拉伐尔喷管的推力增益最大,塞式收敛扩张喷管其次;拉伐尔喷管的出口面积比对推力增益有较大影响,但收敛段-扩张段长度比对推力增益影响甚微。     

尾喷管构型对多循环两相脉冲爆轰发动机流场及性能影响

为了研究尾喷管构型对多循环工况下非定常气液两相脉冲爆轰发动机推进性能的影响,运用适应能力强的非结构网格CE/SE(时空守恒元和求解元)方法数值研究了带尾喷管脉冲爆轰发动机的内外流场.结果表明:尾喷管对脉冲爆轰发动机性能的影响在单次循环和多循环工况下有显著差异;当燃料填充率为1、环境压力为0.1MPa时,完成一个周期各种构型尾喷管产生的平均推力由大到小依次为拉伐尔喷管、塞式收敛扩张喷管、收敛喷管、无喷管、直喷管;研究中塞式收敛扩张喷管可以提供最大的冲量和燃料比冲,但完成单个循环的周期最长.      

喷管对旋转爆震发动机性能影响的实验

为了研究喷管对旋转爆震发动机（RDE）性能的影响,设计了RDE推力测试台,RDE环形燃烧室的内径和外径分别为70mm和80mm,长度为40mm,以氢气和空气分别作为燃料和氧化剂,采用环缝-喷孔对撞式掺混方式,使用高能火花塞点火,并用压电式压力传感器测量推力,实验研究在燃烧室出口安装收敛喷管、扩张喷管以及拉瓦尔喷管对发动机工作性能的影响.结果表明,入口总质量流量小于0.126kg/s时,在发动机稳定工作的工况范围内,收敛喷管对发动机推进性能的提高最为明显.爆震波的传播速度及RDE的推进性能随着入口质量流量的增大而逐渐提高,而当量比则存在一个最佳值,使爆震波的传播速度及RDE的推力达到最大.基于混合物的比冲最高能够达到95.21s.      

不同形式扩张喷管对两级PDE性能的影响

为了研究不同形式扩张喷管对两级脉冲爆震发动机性能的影响,以氢气和氧气混合物为例,对安装不同扩张角、长度和扩张曲线的扩张喷管的两级脉冲爆震发动机工作过程进行了数值模拟.结果表明,具有较大扩张角的喷管其推力增益较大;当扩张面积比一定,喷管长度不能太长和太短,否则喷管增推性能会下降;不同扩张曲线喷管对两级爆震发动机性能有较大影响,在扩张面积一定,长度一定的条件下,采用曲率较大的钟形型线的喷管时,凹面腔获得的冲量最大,喷管获得的冲量也最大.     

脉冲爆震发动机喷管性能数值分析

采用详细的化学反应机理,对脉冲爆震发动机的不同结构喷管进行了二维轴对称单循环数值模拟.分析了爆震波在爆震室内的传播过程以及传出后的流场情况,模拟所得的爆震波参数与STANJAN值较为一致.对4种单喷管和4种组合喷管的性能模拟结果表明:扩张喷管可以产生最大的瞬时推力峰值和比冲;带引射的组合喷管产生的平均推力比单喷管产生的平均推力要大.最后对非稳态引射过程进行了分析,为提高脉冲爆震发动机的性能提供参考.      

Experimental Investigation on Performance of Pulse Detonation Rocket Engine Model

The PDRE test model used in these experiments utilized kerosene as the fuel, oxygen as oxidizer, and nitrogen as purge gas. The solenoid valves were employed to control intermittent supplies of kerosene, oxygen and purge gas. PDRE test model was 50 mm in inner diameter by 1.2 m long. The DDT （deflagration to detonation transition） enhancement device Shchelkin spiral was used in the test model. The effects of detonation frequency on its time-averaged thrust and specific impulse were experimentally investigated. The obtained results showes that the time-averaged thrust of PDRE test model was approximately proportional to the detonation frequency. For the detonation frequency 20 Hz, the time-averaged thrust was around 107 N, and the specific impulse was around 125 s. The nozzle experiments were conducted using PDRE test model with three traditional nozzles. The experimental results obtained demonstrated that all of those nozzles could augment the thrust and specific impulse. Among those three nozzles, the convergent nozzle had the largest increased augmentation, which was approximately 18%, under the specific condition of the experiment.     

脉冲爆震火箭发动机和小推力液体火箭发动机的性能对比分析

为了了解脉冲爆震火箭发动机的性能优势,对比了脉冲爆震火箭发动机和小推力液体火箭发动机的推力和比冲,其中脉冲爆震火箭发动机的性能计算采用等容循环计算模型.结果表明:真空状态下,随燃烧室进口温度的升高,比冲增加不大;在推进剂和发动机结构尺寸相同的情况下,脉冲爆震火箭发动机产生的推力比小推力液体火箭发动机的多3.0倍至6.8倍,但比冲相当.     

喷管结构形式对两级PDE性能的影响分析

为了研究喷管结构形式对两级 PDE 性能的影响及作用规律,以氢气和空气混合物为例,采用 FLUENT 软件中的 k-ε湍流模型,使用非平衡壁面函数、PISO 算法及基于梯度的动态自适应网格加密方法,对收敛、扩张、收扩等不同喷管结构形式的凹面腔内环形向心射流聚心碰撞产生激波会聚起爆爆震波的过程进行了数值模拟,并对两级脉冲爆震发动机产生的推力和冲量进行了计算。通过对不同时间点凹面腔产生的推力和冲量、喷管产生的推力和冲量、两级 PDE 总的推力和冲量三者之间的对比和分析,发现凹面腔产生的推力和冲量是两级 PDE 总的推力和冲量的主要来源,不同喷管结构形式对两级 PDE 推力和冲量性能的影响有较大的差别。以冲量为例,收敛喷管可以提高凹面腔的冲量,但是由于自身同时产生过多负的喷管冲量,因而总冲量较小;扩张喷管虽然对凹面腔冲量的提高作用不大,但是由于其自身可以提供正的喷管冲量,所以总冲量较大;收扩喷管的收敛段也可以较小幅度的提高凹面腔冲量,但同时产生的负喷管冲量会和扩张段产生的正喷管冲量发生抵消,使总的喷管冲量比较低,发动机总冲量也较小。综合考虑各方面因素,扩张喷管性能最优。可见在两级 PDE 喷管结构形式的选择上,要同时考虑凹面腔冲量和喷管冲量,权衡两者,才能选择出合适的喷管。     

扩张管和燃料部分填充对PDE效能的影响

采用基于有限速率基元化学反应模型的网格自适应有限体积方法,数值模拟以脉冲爆轰发动机为背景的爆轰波通过扩张喷管的流场,研究了喷管形状及喷管充气状况对脉冲爆轰发动机推进性能的影响。结果表明,氢-氧混合物产生爆轰波的等截面爆轰管冲量在某一比例合适的部分填充时达到最大,而对较大扩张角的喷管来说,其冲量一般随喷管内可燃气体填充比例的增加而增加,比冲通常随可燃气体填充比例的减少而增加;合适的喷管和燃料填充系数能使比冲显著提高。     

旋转爆震冲压发动机总体性能分析

为了快速可靠地评估旋转爆震冲压发动机的总体性能,针对冲压模态下的旋转爆震发动机建立了性能分析模型。模型以飞行条件和冲压发动机关键几何参数作为输入参数,结合气体动力学和C-J爆震理论,获得旋转爆震燃烧室的流场参数分布以及发动机喷管排气参数,输出发动机推力以及燃料比冲,建立了基于连续旋转爆震的冲压发动机性能评估方法。模型参与反应的燃料和氧化剂分别为煤油以及空气,主要研究了燃料温度、喷管喉部面积、燃烧室环面面积、反应物当量比、飞行马赫数以及飞行高度对发动机燃料比冲、推力的影响趋势。研究结果表明,控制其它变量不变,发动机推力与燃料比冲随燃料温度上升而提高;随喷管喉部面积、燃烧室环面面积减小而增大;随飞行高度增加而降低;燃料比冲随当量比、马赫数增大而减小,而推力随当量比、马赫数增大而增大。在高度为25 km、马赫数为4、当量比为0.6的工况下,发动机燃料比冲可达到1 740 s。分析结果表明,模型计算方法可靠,可快速计算出旋转爆震冲压发动机的推力性能,为旋转爆震冲压发动机的设计提供可靠参考。     

通过壁温确定脉冲爆震火箭发动机中爆震波形成的位置

常用来作为促进爆震形成的Shchelkin螺旋由于流阻较大,对发动机的比冲会造成一定的损失,因此缩短缓燃向爆震转变(Deflagration to Detonation Transition,DDT)增强装置长度,对脉冲爆震火箭发动机性能的提高有着重要的意义。通过分析DDT增强段的壁温来判断爆震波的形成位置,并通过压力信号来验证。实验结果表明,DDT增强段的壁温沿轴向分布为先增加,然后保持不变,轴向温度会有一个明显的转折点;经过实验验证,壁温的转折点即为爆震波的形成位置。     

脉冲爆震发动机喷管流动的数值模拟

为了研究喷管形状及充气状况对脉冲爆震发动机推进性能的影响,发展了基于有限速率基元化学反应模型的网格自适应有限体积程序,对影响脉冲爆震发动机推进性能主要过程进行了数值模拟,计算结果和相应的实验结果较为一致。锥形喷管的算例表明,不仅锥角对喷管性能有重要影响,而且同一锥角下喷管内的充气状况对喷管性能也有重要影响。在喷管内充空气情形下,爆轰波进入喷管后迅速衰减为激波,扩张管道的超声速膨胀使得喷管壁面压力显著下降,从而削弱了喷管提高脉冲爆震发动机推进性能的作用。在喷管内充燃气情形下,爆轰波进入喷管后可一直维持到喷管出口,显著提高了脉冲爆震发动机的推动性能。